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一种高性能半导体材料可以帮助减少热量排放

2023-03-15 13:19:41 西弗吉尼亚大学 阅读:
研究团队创造了一种氧化物陶瓷材料,解决了长期困扰热电发电机的效率问题。这些设备可以从热能中发电,包括发电厂的热能排放,这导致了全球变暖。

西弗吉尼亚大学的研究人员已经设计出一种材料,有可能大大减少发电厂释放到大气中的热量。rH4ednc

由Benjamin M. Statler工程和矿产资源学院教授和George B. Berry工程系主任Xueyan Song(音译:宋学彦)领导的团队创造了一种氧化物陶瓷材料,解决了长期困扰热电发电机的效率问题。这些设备可以从热能中发电,包括发电厂的热能排放,这导致了全球变暖。rH4ednc

宋的团队生产的突破性氧化物陶瓷 "实现了被认为不可能实现的最高性能,"她说。她说:"我们展示了过去20年里全世界在该领域报告的最好的热电氧化物陶瓷,而且这些结果开辟了新的研究方向,可以进一步提高性能。"rH4ednc

研究人员Cesar Octavio Romo de la Cruz、Yun Chen、Liang Liang和Sergio A. Paredes Navia对这项研究做出了贡献。这些研究结果发表在《可再生和可持续能源评论》上。rH4ednc

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氧化物陶瓷与陶器、瓷器、粘土砖、水泥和硅等材料属于同一家族,但各含有不同的金属元素。它们很硬,耐高温和耐腐蚀,很适合在空气中的高温应用。它们可以作为热电发电机组件的材料。rH4ednc

然而,氧化物陶瓷具有由多个相连晶体组成的 "多晶体 "结构。工程师们在这些材料的大规模热电应用中遇到了麻烦,因为 "晶界",即这些晶体相遇的地方,阻碍了为热电发电机提供动力的电流和电子流。rH4ednc

宋的团队解决了这个问题。rH4ednc

博士后研究员 Romo de la Cruz 说:“我们有意在多晶陶瓷中添加‘掺杂剂’或金属离子,促使特殊类型的掺杂剂偏析到晶界。” 博士后研究员Romo de la Cruz说,“这就是我们如何将不可避免且有害的晶界转变为导电通路,大大改善了热电性能。”rH4ednc

这项研究对日益严重的废热问题做出了回应,废热是气候变化的促成因素,也是大多数将燃料转化为动力的操作的副产品。当灯泡摸起来很热的时候,它们在释放废热:低效的额外能量,对它们产生光的主要工作没有贡献。废热是由发电厂、家庭供暖系统和汽车等各种系统释放到大气中的,而且有足够多的废热被排放出来,预计到2026年,回收废热的系统的全球市场将超过700亿美元。rH4ednc

"热量几乎被用来制造一切,从食物到金属和电力。" Romo de la Cruz解释说:"但在这些过程中,大约60%的能量以热的形式无益地释放到环境中。在平衡日益增长的电力需求和工业流程的碳足迹方面,余热回收将发挥越来越重要的作用。热电氧化物陶瓷通过大幅提高热电发电机将废热转化为电能的能力。"rH4ednc

热电发电机是一种很有前途的废热回收技术,部分原因是它们易于操作且维护简单。一个强大的热电发电机可以捕获发电厂的大部分废热。rH4ednc

但 "对于大多数应用来说,热电技术的效率太低,不经济,"Song说。"热电在转换能量方面缺乏有效性,这严重阻碍了热电设备的发展,尽管它们是迫切需要的。"rH4ednc

她的实验室利用纳米结构工程--在只有用电子显微镜才能看到的原子尺度上操纵陶瓷的晶体结构--解决了这一问题,创造出一种致密的、有纹理的多晶体材料,其性能超过了目前标准的单晶体材料。rH4ednc

尽管几十年来,调整各种热电材料的性能激发了大量的理论和实验工作,但 Song 认为,对于块状氧化物陶瓷,她的实验室是第一个证明通过纳米和晶体间晶界的原子尺度工程。rH4ednc

“这项工作正处于大规模、高温余热回收的风口浪尖,”她说。“它引领了氧化物陶瓷的新时代。我们的研究结果可以促进和加速材料比当前最先进的设计水平更高的设计。”rH4ednc


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责编:Demi
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